一种燃料电池防止阳极衰减的方法及阳极材料技术

本发明专利技术提出一种燃料电池防止阳极衰减的方法，采用有金属膜的复合陶瓷材料为阳极，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金。所述金属膜的厚度为30‑50nm。本发明专利技术还提出一种阳极材料，为有金属膜的复合陶瓷材料，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金膜。本发明专利技术采用氧化铝为复合陶瓷的基材，所述基材为微孔结构。镁镍钛的合金为金属膜基材，向其中掺杂金得到了一种高性能的氢燃料电池阳极材料。金属膜加入金材料，明显增加了材料的导电性能。扫描电镜以及XRD结果表明合金颗粒均匀的分散在基材的表面。在合金材料的放电测试中发现掺杂有金的阳极材料与无金的金属膜基材相比，电流密度从150mA/cm提高到了300mA/cm。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池防止阳极衰减的方法及阳极材料
本专利技术属于电池领域，具体涉及一种燃料电池的防衰减阳方法及该方法采用的阳极材料。
技术介绍
燃料电池的输出功率随着负载的需求而变化，如用在汽车上的燃料电池，在汽车启动、加速和爬坡过程中，功率需求会有突然的增加，那么，燃料电池的输出功率就要相应地快速增加。功率的快速增加需要燃料如氢气的供应快速增加。但氢气从储氢罐到进入电堆需要一定的时间，在功率突然增加的瞬间，氢气流量的增加不可能在这个瞬间完成，这样，在一个短暂的时间内，电堆中的氢气量低于反应对氢气的需求量，即电堆出现瞬间的燃料匮乏，导致电堆中的阳极被迫参与反应，以弥补所缺部分氢气应该提供的电子。例如，电堆在t1时间的输出电流为50A，对应的氢气流量为1000LPM，由于负载的突然加大，电堆的输出电流在t2时间需要达到100A，对应的氢气流量为2000LPM。但供氢系统并不能在t2时间立刻达到2000LPM，而需要200ms才能达到2000LPM，那么，在这200ms的时间内，氢气的供应量可能欠缺3.33L(＝1000LPM*200ms/1000ms/s/60s/min)。这3.33L氢气所对应的电量必须通过阳极中的组分来补充。阳极的组分主要包括催化剂(如Pt)和催化剂载体(如C)，C被氧化后提供所需电子但自身变成CO2：C+2H2O＝CO2+4H++4e-，C载体被一定程度的破坏。每一次负载需求的增加都破坏C载体，随着时间的累积，C载体就会被严重破坏，导致燃料电池阳极失效。长期以来，由于阳极催化材料等因素的制约，氢燃料电池的效率并不高，而且在电池工作过程中还会产生水解副反应，导致电池快速老化和失效。目前主要的解决方法是避免在负载突然增加时对燃料电池阳极的破坏作用，在阳极中加入能够释放电子的材料。在燃料匮乏发生时，这些材料释放电子从而避免阳极的主体组分Pt和C被氧化。能够释放电子的材料可以是电容材料，如RuO。也可以是储氢材料，如金属储氢材料，如本案的镁镍材料。这些材料有良好的吸放氢气可逆反应能力。在一定的压力下，当氢气量充足时，一些额外的氢气储存在该储氢材料中；当氢气匮乏发生时，储氢材料中的氢气释放出来，弥补氢气的不足；当情况恢复正常后，氢气又被储存在该储氢材料中。如此吸氢时放热，吸热时放氢，循环往复。合金材料富氢水瓷如本案的合金复合陶瓷是由多种矿物材料与合金复合经低温烘焙而成，由于采用了纳米包覆技术和微孔互通工艺，解决了镁粒氧化失效和析出沉淀物等缺陷。同时使水与富氢水瓷能够互联互通，缓慢进行微电解反应，所以制氢温和，更加符合人性化使用。最主要的是富氢水瓷对水源没有任何限制，用热水制氢效果更好。经测试，富氢水瓷制造的氢水核磁共振频率达到45赫兹，氢含量可达到500-1000PPb，PH值8.5以上。也就是说富氢水瓷微电解制氢技术，可同时制造碱性小分子团的活性氢水。因此，合金基材的阳极材料是氢燃料电池开发和产业化的一个研究方向。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足之处，本专利技术的目的是提出一种燃料电池防止阳极衰减的方法。本专利技术的第二个目的是提出一种燃料电池的阳极材料。本专利技术的第三个目的是提出所述方法和材料的应用。实现本专利技术上述目的的技术方案为：一种燃料电池防止阳极衰减的方法，采用氧化铝为复合陶瓷材料为阳极基材，表面覆盖金属膜，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金，所述金属膜的厚度为30-50nm。一种阳极材料，基材为有金属膜的氧化铝复合陶瓷材料，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金，金、镍、镁的质量摩尔比为9:27:63。采用金镁镍合金镀膜，考虑了性能和产业化成本。为实现完善的放电自愈，保证疵点周围有一个合适的局部环境。因此需要优化金属化有机陶瓷薄膜的设计。以便达到疵点周围介质合理、金属化层厚薄适当、周围是密封性环境。所谓完美的自愈是自愈时间很短、自愈能量较小、对疵点隔离优良、没有损伤到周围介质。为了实现良好的自愈，有机陶瓷薄膜的分子中应该含有碳氢原子数比值较低，并且含有适量的氧，以便在自愈放电中陶瓷薄膜分子发生分解时，不产生碳，不发生碳的沉积，以免形成新的导电路径，而是产生CO、CH、CH4等气体，使气压急速升高面熄灭电弧。此外，有机陶瓷薄膜还能耐热、抗电离。由此看出，陶瓷薄膜应避免使用任何乙烯类材料，不利于实现良好自愈。为了实现良好的自愈性能，用低熔点金属对有机陶瓷薄膜实行金属化，在保证其方阻不过大的情况下，尽量用薄的金属化层，如现在常用的50--30nm，最厚的也不超过50nm。此外，金属化层不能厚薄不匀，特别要避免划伤，否则，绝缘强离区将成为技状，达不到良好自愈。本案的自愈性能主要是电化学自愈。合金金属化有机陶瓷在低电压下，常出现这种自愈。推而广之，凡是能形成氧化物绝缘层的金属，如Ti.Ta等，若用来金属化有机陶瓷薄膜。本案采用了Ti，自愈机理如下：若在金属化有机陶瓷薄膜电容器的介质薄膜中有一疵点，在电池阳极有电压以后(即使电压很低).通过疵点将有较大的漏电流.表现为电容器的绝缘电阻远低于技术条件中的规定值.显然，在漏电流中含有离子电流，也可能还有电子电流。因为有机陶瓷薄膜都有一定的吸水率(0.01％—0.4％)。且在阳极制造、储存和使用过程中，还可能受潮，所以在离子电流中会有相当一部分是因水被电解而产生的O2离子和H-离子电流.O2离子到达Al金属化阳极以后，与Al结合形成Al2O3。随着时间的增长，逐渐形成Al2O3绝缘层将疵点覆盖和隔离，从而电池阳极绝缘电阻大为提高，达到自愈。金属化有机陶瓷薄膜要完成自愈，需要一定的能量，这是显而易见的。其能量有两个来源，一个是来自充放电，另一个是来自疵点区部分金属的氧化和氢化放热反应。对自愈所需要的能量常称为自愈能量.对于放电自愈来说，自愈能量的绝大部分消耗在疵点的电阻上，只有很少一部分(小于百分之二)消耗在蒸发疵点隔离区的金属化层上.对于电化学自愈来说，则几乎全部自愈能量都消耗在电通道的电阻上。此时，燃料电池的温度略有增加，从而增加了反应速度和电子的供应量，形成良性循环。自愈能量的大小与许多因素有关，其中主要的有疵点电阻、有机陶瓷薄膜性质和厚度及层数、金属化电极的金属及厚度、浸渍材料、阳极材料的紧密度等。采用合金陶瓷薄膜最大特点是具有自愈能力，增加了阳极材料的寿命和耐久力，因此自愈所带来的好处是主要的。但是，它也有不利之处，其中最大的害处就是自愈发生时造成电流脉冲，给电路带来信号干扰，降低电路的重要性能—信噪比。所以不适合于一些对电流质量要求特别高的电路，如高保真音响电路、高精度通信电路的供电等。一种解决方法是在供电应用电路中加入脉冲滤波器予以滤除。本专利技术所述阳极材料，可以以下优选的制备方法制得。所述氧化铝复合陶瓷材料采用湿法研磨制备而得，包括步骤：1)Al2O3陶瓷粉料、去离子水、淀粉混合，研磨成浆料，注入石膏模具中，石膏将陶瓷浆料的去离子水份吸收，脱模后成型有均匀微孔的陶瓷原体，2)陶瓷原体经高温烧结1-3小时，形成陶瓷基体；3)采用电沉积法，在所述陶瓷基体上形成金镁镍合金镀层。为了得到较好的分散效果，可以粘合剂和发泡剂的添加量要合适。这样在后期的烧结工艺后，陶瓷试样的均匀性和孔隙率会非常好。干燥的石膏磨具可以有效的吸收溶液中的去离子水，从而使A12O3陶瓷坯体快速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池防止阳极衰减的方法，其特征在于，采用氧化铝为复合陶瓷材料为阳极基材，表面覆盖金属膜，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金，所述金属膜的厚度为30‑50nm。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池防止阳极衰减的方法，其特征在于，采用氧化铝为复合陶瓷材料为阳极基材，表面覆盖金属膜，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金，所述金属膜的厚度为30-50nm。2.一种阳极材料，其特征在于，基材为有金属膜的氧化铝复合陶瓷材料，所述金属膜为掺杂金的镁镍合金，金、镍、镁的质量比为9:27:63。3.根据权利要求2所述的阳极材料，其特征在于，所述氧化铝复合陶瓷材料采用湿法研磨制备而得，包括步骤：1)Al2O3陶瓷粉料、去离子水、淀粉混合，研磨成浆料，注入石膏模具中，石膏将陶瓷浆料的去离子水份吸收，脱模后成型有均匀微孔的陶瓷原体，2)陶瓷原体经高温烧结1-3小时，形成陶瓷基体；3)采用电沉积法，在所述陶瓷基体上形成金镁镍合金镀层。4.根据权利要求3所述的阳极材料，其特征在于，所述陶瓷粉料粒度小于2μm，所述陶瓷粉料、去离子水、淀粉的质量比为50-60：40：2-10。5.根据权利要求3所述的阳极材料，其特征在于，石膏将陶瓷浆料的去离子水份吸收，脱模...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚乃元，
申请(专利权)人：姚乃元，
类型：发明
国别省市：北京,11